沙曉東 陳曉輝 黃 坤 盧思源 盧泓方

1.中國(guó)石化北京天然氣分公司，北京 100029；

2.中國(guó)石油昆侖燃?xì)馕髂戏止?，四?成都 610023；

3.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500

0 前言

天然氣廣泛采用管道輸送。 應(yīng)根據(jù)輸氣量的需求選擇不同管徑的管道。 研究表明，不同管徑的管道承受載荷的能力不同，由壓力、溫度等因素引起的應(yīng)力值改變量也不相同。 使用應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ?qū)Σ煌軓降墓艿肋M(jìn)行應(yīng)力分析， 通過(guò)改變溫度和壓力，得出不同管徑管道應(yīng)力的主要影響因素，為管道的設(shè)計(jì)和施工提供安全依據(jù)［1］。

1 輸氣管道應(yīng)力分析

1.1 管道受力情況

管道承受的基本應(yīng)力包括環(huán)向應(yīng)力、 軸向應(yīng)力、剪應(yīng)力和徑向應(yīng)力，見(jiàn)圖1。 環(huán)向應(yīng)力由內(nèi)壓引起，方向垂直于軸向，平行于管壁圓周的切線。 軸向應(yīng)力是平行于管軸的正應(yīng)力，包括由作用于管道的軸向力引起的管子軸向正應(yīng)力、由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力以及彎曲引起的軸向應(yīng)力。 剪應(yīng)力是作用在與材料晶體結(jié)構(gòu)平面相平行的方向，并且可能使晶體相毗鄰的平面相互產(chǎn)生滑動(dòng)趨勢(shì)的多種載荷。 徑向應(yīng)力由內(nèi)壓引起，方向平行于管子半徑［2］。

圖1 管道應(yīng)力示意圖

1.2 校核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)應(yīng)力基本特征， 將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和操作應(yīng)力：一次應(yīng)力是由外載荷作用在管道內(nèi)部產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，無(wú)自限性，主要引起塑性破壞；二次應(yīng)力是管道的變形受約束產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，具有自限性和局部性，主要引起疲勞破壞；操作應(yīng)力是由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變引起局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值，它是脆性斷裂和疲勞破壞的原因。

為了保證管件的強(qiáng)度安全，危險(xiǎn)點(diǎn)處最大工作應(yīng)力不允許達(dá)到（或接近）材料的極限應(yīng)力。 因此，在設(shè)計(jì)管件強(qiáng)度時(shí)，不能以操作應(yīng)力是否到達(dá)極限應(yīng)力值來(lái)判斷管件是否安全， 而應(yīng)在管件極限應(yīng)力的范圍內(nèi)，規(guī)定一個(gè)許用應(yīng)力［σ］作為衡量管件是否滿足強(qiáng)度要求的依據(jù)。 管道由于熱脹冷縮、曲率發(fā)生突變、端點(diǎn)附加位移或受到約束，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的軸力、剪力、彎矩和扭矩，應(yīng)力計(jì)算后需進(jìn)行一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和操作應(yīng)力的校核。 管道一次應(yīng)力值不得超過(guò)設(shè)計(jì)溫度下管材的許用應(yīng)力值；管道二次應(yīng)力值不得超過(guò)許用應(yīng)力范圍； 操作應(yīng)力即σL與σE之和σOPE應(yīng)滿足σL+σE≤σs［3］。

校核用計(jì)算公式：

式中： ［σ］為管材的許用應(yīng)力，MPa；F 為不同地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；φ 為焊縫系數(shù)；σL為由壓力引起的縱向應(yīng)力與重力、風(fēng)荷載等外載在管道中產(chǎn)生的縱向彎曲應(yīng)力之和，MPa；σE為二次應(yīng)力，MPa；σa為許用應(yīng)力范圍；σc為管材在20 ℃時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；σa為管道材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，MPa；σb為載荷變化引起的彎曲應(yīng)力范圍； σOPE為操作應(yīng)力，MPa； f為預(yù)期壽命內(nèi)，考慮循環(huán)總次數(shù)影響的許用應(yīng)力范圍減少系數(shù)。

CAESAR Ⅱ軟件的校核方法是依據(jù)美國(guó)ASME B31.8 Gas Transportation and Distribution Piping Systems（氣體輸送和分配管道系統(tǒng)）， 其對(duì)管道應(yīng)力的分類(lèi)、校核及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)都與國(guó)內(nèi)管道設(shè)計(jì)規(guī)范要求相類(lèi)似，不同的是管道校核許用應(yīng)力采用的是管材許用應(yīng)力值的90%［4］。

2 管道模型的建立

使用管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ?qū)艿肋M(jìn)行應(yīng)力分析，模型的建立包括管系輸入、覆土模型的建立及定義組合工況［5-6］。

管系輸入是進(jìn)行靜力分析的基礎(chǔ)，包括輸入管道參數(shù)、空間走向、外界條件、管材參數(shù)、約束條件及管內(nèi)介質(zhì)參數(shù)。

覆土模型的建立包括輸入土壤密度、 摩擦系數(shù)、壓實(shí)系數(shù)、土壤埋入深度、入土點(diǎn)與出土點(diǎn)的選擇及定義各管段的土壤模型等。

研究溫度、 壓力對(duì)不同管徑管道應(yīng)力的影響，忽略風(fēng)載、地震等因素，只考慮自重、溫度和壓力，故管道的操作應(yīng)力工況組合為：

式中：W 為自重應(yīng)力載荷，MPa；T 為溫度應(yīng)力載荷，MPa；P 為壓應(yīng)力載荷，MPa。

操作工況是指載荷、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起的局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值。

3 實(shí)驗(yàn)方法

為了探究溫度、壓力對(duì)不同管徑管道應(yīng)力的影響情況，選取一系列管徑的管道，通過(guò)改變管道運(yùn)行的溫度和壓力，對(duì)比運(yùn)行條件改變前后的應(yīng)力比率變化大小，得出溫度、壓力對(duì)不同管徑管道的變化規(guī)律。

設(shè)計(jì)一段直管段，管道總長(zhǎng)度約1 000 m，研究模型的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別設(shè)置固定支墩1、2， 用以截?cái)嘌芯繉?duì)象以外管道對(duì)模型的影響。 根據(jù)英國(guó)Cambridge M.G 工程的資料，采用X80 鋼Φ1 219×14.3 mm 的管道，根據(jù)等強(qiáng)度原則，選取一系列管徑的管道，參數(shù)見(jiàn)表1［7-9］。 土壤參數(shù)見(jiàn)表2，建立的管道走向示意圖見(jiàn)圖2。 由于輸氣管道輸送溫度變化范圍較大，故實(shí)驗(yàn)分為兩組， 第一組實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)溫度為20 ℃常溫，管道運(yùn)行狀態(tài)1 的工作條件為20 ℃、10 MPa，狀態(tài)2相對(duì)狀態(tài)1 壓力不變，溫度上升至30 ℃，狀態(tài)3 相對(duì)狀態(tài)1 溫度不變，壓力上升至12 MPa；第二組實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)溫度為較高溫度50 ℃，管道運(yùn)行狀態(tài)4 的工作條件為50 ℃、10 MPa， 狀態(tài)5 相對(duì)狀態(tài)4 壓力不變，溫度上升至60 ℃，狀態(tài)6 相對(duì)狀態(tài)4 溫度不變，壓力上升至12 MPa，見(jiàn)表3。 地區(qū)等級(jí)為1 級(jí)，設(shè)計(jì)系數(shù)F 為0.72。

表1 各管徑管道參數(shù)

4 分析結(jié)果

對(duì)常溫（第一組）和高溫（第二組）工作狀態(tài)下幾種管徑的管道進(jìn)行應(yīng)力分析見(jiàn)圖3，將分析結(jié)果匯總，見(jiàn)表4～5， 并將第一組實(shí)驗(yàn)狀態(tài)1～3 下管道平均應(yīng)力比率的改變值繪制折線圖進(jìn)行線性分析，見(jiàn)圖4～5，第二組實(shí)驗(yàn)狀態(tài)4～6 下管道平均應(yīng)力比率的改變值繪制折線圖進(jìn)行線性分析，見(jiàn)圖6～7。

表2 土壤參數(shù)

表3 六種管道運(yùn)行狀態(tài)

圖2 管道走向示意圖

圖3 管道應(yīng)力分析示意圖

表4 運(yùn)行狀態(tài)下管道的平均應(yīng)力比率對(duì)比（第一組）

表5 運(yùn)行狀態(tài)下管道的平均應(yīng)力比率對(duì)比（第二組）

圖4 常溫下由溫度升高引起的各管徑管道平均應(yīng)力比率變化情況

圖5 常溫下由壓力增大引起的各管徑管道平均應(yīng)力比率變化情況

圖6 高溫下由溫度升高引起的各管徑管道平均應(yīng)力比率變化情況

圖7 高溫下由壓力增大引起的各管徑管道平均應(yīng)力比率變化情況

通過(guò)對(duì)常溫和高溫下各管徑管道的應(yīng)力分析，得出隨著溫度或壓力的升高，管道平均應(yīng)力比率均有不同程度的提高［10-11］。 隨著管徑的增加，溫度對(duì)管道應(yīng)力的影響逐漸增大，而壓力對(duì)管道應(yīng)力的影響逐漸減小。

5 結(jié)論

使用應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ?qū)Σ煌軓焦艿肋M(jìn)行應(yīng)力分析，通過(guò)改變管道運(yùn)行的操作條件（溫度、壓力），對(duì)比分析結(jié)果，得出輸氣管道隨溫度或壓力的升高，管道應(yīng)力有所增大，且隨著管徑的增加，管道應(yīng)力受溫度的影響逐漸增大， 受壓力的影響逐漸減小。在管道工程設(shè)計(jì)中， 確定管道的壁厚和適用條件，需考慮溫度和壓力對(duì)不同管徑管道的影響，特別是對(duì)晝夜溫差、壓差較大的地區(qū)，需根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施，以保障輸氣管道設(shè)計(jì)的合理性及其運(yùn)行安全。

［1］GB 50251-2003，輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 唐永進(jìn). 壓力管道應(yīng)力分析（第1 版）［M］. 北京：中國(guó)石化出版社，2003.11-24.

［3］ 中國(guó)石油天然氣總公司. 石油地面工程設(shè)計(jì)手冊(cè)天然氣長(zhǎng)輸管道工程設(shè)計(jì)［M］. 東營(yíng)： 石油大學(xué)出版社，1995.153-157.

［4］ ASME B31.8-2010，Gas Transmission and Distribution Piping Systems［S］.

［5］ 黃 坤，吳世娟，盧泓方，等. 沿坡敷設(shè)輸氣管道應(yīng)力分析［J］. 天然氣與石油，2012，30（4）：1-4.

［6］ 吳曉南，鮮 燕，劉源海，等. 清管過(guò)程中隧道內(nèi)輸氣管道內(nèi)應(yīng)力分析［J］. 天然氣與石油，2012，30（2）：1-3.

［7］GB 50316-2000，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］ 王茂堂，何 瑩，王 麗，等. 西氣東輸二線X80 級(jí)管線鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用［J］. 電焊機(jī)，2009，39（5）：6-14.

［9］GB/T 9711.1-1997， 石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第1 部分：A 級(jí)鋼管［S］.

［10］ 王軍平.CAESAR Ⅱ軟件在油田工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2002，13（2）：26.

［11］ 方 立. 用CAESAR Ⅱ軟件進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算的幾個(gè)問(wèn)題探討［J］. 化工設(shè)備與管道，2004，41（6）：40-43.